Caldera Acuotubular

Universidad Nacional de Ingeniería Simulación y control de procesos

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CALDEROS DE VAPOR ACUOTUBULAR

Introducción Una caldera es un equipo que consta de diferentes elementos destinados a la producción de vapor de agua o de cualquier otra clase de vapor a partir de su fase líquida. Estos elementos son el hogar o cámara de combustión, la caldera, los sobrecalentadores de vapor, el economizador y el calentador de aire. En el hogar, se produce la combustión de un combustible. La caldera es un intercambiador de calor en el que los gases de la combustión calientan la fase líquida hasta su transformación en vapor. El sobrecalentador calienta el vapor saturado por encima de su temperatura de saturación y, opcionalmente, el economizador precalienta el agua de alimentación de la caldera. En ciertas instalaciones de vapor, algunos calentadores se encargan de recalentar el vapor de extracción de las turbinas. Finalmente, el calentador de aire calienta el aire necesario para la combustión. Las calderas se clasifican en pirotubulares y acuotubulares. Las pirotubulares son aquellas en las que los humos de la combustión circulan por el interior de los tubos y el agua, por el exterior. En general, se trata de calderas pequeñas con presiones inferiores a 20 bar. Las acuotubulares son aquellas en las que el agua circula por el interior de los tubos, son las más comunes.

De manera elemental una caldera se puede definir como un recipiente cerrado en el cual el agua se evapora en forma continua por la aplicación de calor por medio de gases. Ver figura No. 01.

Figura N° 1. Caldera elemental Estos gases generalmente son producto de la quema de un combustible fósil en el horno de la caldera, aunque pueden ser también el producto de un proceso como los gases resultantes de reacciones en las unidades de ruptura catalítica. EFICIENCIA El objetivo de una caldera, además de generar vapor, es realizar con la máxima eficiencia posible la transferencia de calor, definiendo esta de una manera sencilla como la porción de calor liberado en el horno que es absorbido por les fluidos en los elementos de la caldera. Cuando se selecciona una caldera se deben considerar los siguientes parámetros:

· Cantidad de vapor requerida. · Presión, temperatura, calidad del vapor requerido.


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· Futuros requerimientos. · Localización de la unidad. · Características de la carga. · Tipos de combustibles disponibles. · Diseño de quemadores. · Calidad del agua de alimentación. · Variaciones previstas de la carga.

Una vez seleccionada y construida la caldera existen otros factores que afectan notablemente la eficiencia de la unidad pues inciden directamente en el estado de las superficies de transferencia térmica. Los tubos de la caldera son afectados internamente por las impurezas del agua que tienden a depositarse o a formar incrustaciones en las paredes, lo cual hace necesario someter el agua a tratamiento químico para minimizar este y otros efectos indeseables. La parte exterior de los tubos y otras zonas de la caldera son afectadas por depósitos que ensucian o incrustan las paredes. Estos depósitos son determinados principalmente por los siguientes factores: a. tipo de combustible :

· combustible pulverizado (carbón) · combustóleo · gas natural

b. calidad del combustible:

· contenido de azufre y cloruros en el carbón · contenido de cenizas y temperatura de fusión de ellas · contenido de vanadio, sodio, azufre en el combustóleo

c. condiciones de combustión · exceso de aire · longitud de la llama · turbulencia del aire – combustible a la salida del quemador · turbulencia en el hogar · temperaturas · distribución del aire · tipo de paredes en el hogar d. diseño · localización, tipo y espacio entre los elementos del supercalentador, calentador y

economizador · altura del hogar y temperatura de salida de gases

De los anteriores factores, indudablemente que el diseño es el que ofrece mayores posibilidades de mejora. Los más recientes muestran mayor área seccional en el hogar, eliminación de paredes de división, temperatura de gases más bajas, distribución más uniforme de suministro de calor en toda la caldera, velocidad de gases más baja, mejor observación del hogar.


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CLASIFICACIÓN DE CALDERAS Caldera Tipo Locomóvil. Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. La entrada de hombre, que se ve abierta, es la base de la chimenea, es decir la caja de humos y en la parte superior se encuentra la salida de vapor.

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt. Calderas Pirotubulares. En los primeros diseños, la caldera era simplemente un casco ó tambor con una línea de alimentación y una salida de vapor montado sobre una caja o marco de ladrillos. El combustible era quemado sobre una parrilla debajo del casco y el calor liberado era aplicado directamente a su parte inferior antes de que los gases salieran por la chimenea. Los diseñadores de calderas muy pronto aprendieron que calentar una gran masa de agua en un recipiente era notoriamente ineficiente, que era necesario poner una mayor porción de esa agua en contacto con el calor. Ver figura No. 02.

Figura N° 2. Caldera pirotubular de un solo paso


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Una manera de lograr esto era dirigir los gases de la combustión dentro del recipiente o casco de la caldera. Este diseño dio origen a las calderas pirotubulares. Este nombre se debe a que en ellas e! calor es transferido desde los gases de combustión, que fluyen por el interior de los tubos, a el agua que los rodea. El combustible es normalmente quemado debajo del casco y los gases son orientados a entrar en los tubos que se hallan en el interior del tambor de agua, haciendo su recorrido en tres o más pasos. El vapor sale por la parte superior del tambor y la entrada de agua está generalmente 2" por encima de la huera de tubos más alta. Las altas presiones son una de las mayores limitantes de estas calderas. La fuerza que se ejerce a lo largo del tambor es dos veces la fuerza que se ejerce alrededor de la circunferencia. De lo anterior se deduce que para altas presiones y mayores capacidades se necesitarían paredes extremadamente gruesas, lo que las hace antieconómicas. Aunque su gran capacidad de almacenamiento de agua le da habilidad para amortiguar el efecto de amplias y repentinas variaciones de carga, este mismo detalle hace que el tiempo requerido para llegar a la presión de operación desde un arranque en frío sea considerablemente más largo que para una caldera acuotubular. Una presión de 250 psig y una producción hasta de 25.000 Ibs/hora son consideradas los topes prácticos para este tipo de calderas. Sin embargo, en Europa se construyen unidades de hasta 30.000 Ibs/hora de producción. Esto las hace recomendables para servicios donde la demanda de vapor sea relativamente pequeña y no se requiera su aplicación en turbinas. Las calderas pirotubulares se desarrollaron principalmente en dos modelos: De retorno horizontal y de horno interno o tipo escocés. De Retorno Horizontal. Son calderas de un bajo costo inicial y de simple construcción, muy usadas en sistemas de calentamiento de edificios y producción de vapor para pequeñas factorías. Consisten de un casco cilíndrico con gruesas paredes terminales entre las cuales se encuentra soportado un gran número de tubos de 3" o 4" de diámetro, aunque se pueden tener diámetros menores, esto da mayor superficie de transferencia y por ende mayor generación de vapor. Ver figura No. 03.

Figura Nº 3. Caldera de retorno horizontal.


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La caldera está suspendida sobre unos muros de ladrillo en un horno. La parrilla o quemadores están localizados directamente debajo de la parte de enfrente del casco o tambor. De Horno Interno. Llamada también tipo escocés, la combustión tiene lugar en un horno cilindrico que se encuentra dentro del casco o tambor de la caldera. Los tubos de humo están a lo largo del casco y envuelven al horno por los lados y su parte superior. Ver figura No. 04.

Figura Nº 4. Caldera pirotubular de horno interno Los gases que salen del horno cambian de dirección en una cámara en el extremo y regresan, recorriendo completamente !a unidad, hasta una caja de humos localizada en el frente. Este tipo de caldera fue muy utilizado en los barcos. Calderas Acuotubulares. Las calderas de tubos de agua tuvieron su origen a finales del siglo XVIII, pero el modelo original dista mucho de lo diseños de hoy día. Una caldera acuotubular consta básicamente de tambores y de tubos. Los tubos a través de los cuales circula el agua y en los que circula el vapor generado están fuera de los tambores, estos son utilizados solo para almacenar agua y vapor, por lo que pueden ser mucho más pequeños en diámetro que el tambor de una caldera pirotubular y pueden soportar mayores presiones. El costo inicial de una caldera acuotubular es más alto que el de una caldera pirotubular equivalente, sin embargo, una mayor eficiencia compensará este costo inicial. La adición de algunos equipos destinados a la recuperación de calor permitirá la recuperación de los costos más rápidamente. Las calderas acuotubulares son de dos tipos: De tubos horizontales rectos y de tubos doblados. Ver figura No. 5.


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Figura Nº 5. Calderas de tubos horizontales rectos Están constituidas por bancos de tubos que por lo general están en zíg zag con una inclinación de 15° a 25° para favorecer la circulación. Este tipo de caldera fue muy popular entre 1920 y 1940 y era utilizado para producir vapor de proceso y ocasionalmente generar calentamiento en edificios. Su producción estaba limitada a 10.000 Ibs/h por cada pie de ancho de la caldera. Sus principales desventajas eran una limitada capacidad para una adecuada separación del vapor del agua a altas ratas de evaporación y una pobre distribución de circulación. Caldera acuotubular de cornwall

Figura Nº 6. Caldera acuotubular de cornwall


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Las calderas acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido.

Vista frontal

Se conoce como vapor de agua al fluido aeriforme o gaseoso que resulta de la vaporización del agua. La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura. A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura. PARTES DE UNA CALDERA TAMBOR DE VAPOR: Es el lugar donde el agua y el vapor se separan. Aquí se encuentra la entrada de agua de alimentación, la cual entra bajo control de nivel. Todos los tubos de flujo ascendente y descendente van acoplados a este tambor. Existe también una salida de vapor hacia el sistema de proceso o a un supercalentador. En el tambor de vapor se instalan válvulas de alivio o de escape para proteger al sistema.

El método de separación del agua y del vapor es el mismo en la mayoría de las calderas y se lleva a cabo en un separador mecánico o en un separador ciclónico. La mezcla de vapor y de agua procedente del haz ascendente se dirige al separador ciclónico por medio de una placa deflectora. La fuerza centrífuga en el ciclón separa las gotas de agua, y el vapor sale del ciclón y pasa a través de mas separadores hasta que se tiene vapor relativamente seco para uso en las unidades de proceso.

CAJA DE SECADO: Es un compartimiento interno para colectar el vapor seco y distribuirlo a los tubos de salida al supercalentador.


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El tambor de vapor debe estar diseñado para trabajar mínimo durante un minuto sin suministro de agua de alimentación con los quemadores encendidos. En realidad el tambor debe tener reserva para 20 o 30 segundos y los tubos deben proporcionar la diferencia.

TAMBOR DE LODOS: Los tambores de lodos son los cabezales de recolección en el fondo de los haces de tubos ascendentes y descendentes. De estos tambores de lodos se extrae la purga. La purga es el liquido que se extrae de la caldera para mantener baja la concentración de sólidos en el agua de la caldera.

Normalmente hay dos corrientes de purga, una es una purga continua de una cantidad fija de agua, la otra es intermitente. La purga intermitente se ajusta para mantener el agua de calderas dentro de la especificación de sólidos disueltos que se estipule.

VENTILADOR: Son los encargados de suministrar el aire para la combustión en las calderas de tiro forzado y de sacar los gases desde el hogar hacia la chimenea en las calderas de tiro inducido. Deben tener una capacidad superior en un 15% al flujo a máxima carga para suplir las perdidas por ensuciamiento de la caldera, disminución de la calidad del combustible o desgaste de los mismos ventiladores.

PRECALENTADOR DE AIRE: Es un intercambiador generalmente con vapor de baja presión que se condensa y retorna al sistema como agua de alimentación. La temperatura normal del aire entrando al calentador de aire debe estar entre 140°F y 176°F.

CALENTADOR DE AIRE: En esta parte se termina de darle temperatura al aire que va para la combustión intercambiando temperatura con los gases que vienen de la combustión.

ECONOMIZADOR: Es la parte de la caldera donde por intercambio de temperatura entre los gases de combustión y el agua de caldera se le baja temperatura a los gases de combustión y se le incrementa al agua de caldera para economizar combustible en el proceso de producir vapor y a su vez minimizar el impacto ambiental porque evitamos el aumento de la temperatura del medio ambiente.

El economizador puede estar situado dentro de la caldera, como parte de la zona de convección, o puede ser externo donde por razones de espacio no se puede aplicar el arreglo anterior.

CAJA DE AIRE: Es la parte por donde se conduce el aire que va del ventilador hacia los quemadores.


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HOGAR DE LA CALDERA

Figura Nº 10. Hogar de la caldera

Está constituido por una serie de tubos que forman las llamadas paredes de agua que le dan la forma y encierran la zona radiante de la caldera pues allí el calor es transmitido principalmente por radiación. Según la colocación de los quemadores el hogar de la caldera puede ser:

· PARALELO; Cuando los quemadores están colocados al frente o al frente y atrás.

· TURBULENTO; Cuando los quemadores están ubicados en las esquinas e inyectan el combustible en forma tangencial. Este tipo de hornos es ideal para la quema de carbón pues ofrece mayor turbulencia y mejor mezcla aire/combustible. El hogar de la caldera debe cumplir básicamente con los siguientes requisitos:

o Tener capacidad para admitir el volumen de aire necesario para la combustión.

o Tener suficiente altura para asegurar circulación adecuada de agua por los tubos.

o Tener dimensión suficiente para evitar que la llama ataque las paredes de tubos.

o Tener forma y dimensiones adecuadas para asegurar que los gases llene el hogar proporcionando absorción térmica optima en todas las partes.

La tubería del hogar debe ser de la mayor longitud posible para minimizar las soldaduras.

Debe comprobarse la limpieza de su interior, las facilidades para entrar en su interior deberá poseer su propio refractario antes de sus compuertas, los refractarios de las “gargantas” de los quemadores no deben tener fisuras o rajaduras que alteren el normal flujo de aire de la combustión, lo mismo que el refractario del piso.


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QUEMADORES

Figura Nº 11. Quemadores

Son los elementos de la caldera encargados de suministrar y acondicionar el combustible para mezclarlo con el aire y obtener una buena combustión. Deben producir una llama estable y uniforme de manera que se realice una cierta distribución en el hogar.

Los quemadores de gas son perforados y por sus orificios el gas debe salir a una velocidad mayor que la del aire para asegurar una penetración integra del chorro de aire.

En los quemadores de aceite, este debe ser atomizado para aumentar la superficie de contacto con el aire. La atomización se realiza generalmente con vapor pero se puede utilizar aire también. Aunque el vapor produce una muy buena atomización, presenta como desventaja que causa un mayor contenido de agua en los gases de combustión y disminuye el punto de rocío de los gases,

además representa consumo de vapor que no se recupera.

DESHOLLINADOR: La mayoría de calderas están equipadas con sopladores de hollín, los cuales sirven para mantener la superficie exterior de los tubos limpia y libre de material que pudiera afectar la transferencia de calor. Se utiliza vapor para el soplado del hollín y la frecuencia de la operación depende del combustible usado.

Existen dos tipos de sopladores de hollín; los fijos o estacionarios y los retráctales.

TUBOS DESCENDENTES: Los que bajan el agua más densa del tambor de vapor al tambor de lodos.

TUBOS ASCENDENTES: Son los tubos por donde sube el agua que a perdido densidad y va al tambor de vapor. SUPER CALENTADOR: Es un equipo que ofrece una superficie de absorción de calor por medio de la cual se eleva la temperatura del vapor por encima de su punto de saturación. Entre las principales razones para realizar este trabajo tenemos:

· Se aumenta la eficiencia total de la unidad. · Se aumenta la ganancia termodinámica de l vapor. · Se obtiene un vapor mas seco.

CHIMENEA: Conducto por donde salen los gases de combustión.


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ACCESORIOS BÁSICOS DE LA CALDERA

1. Válvulas de seguridad. 2. Válvulas de aguja o de purga. 3. Válvulas de control. 4. Válvulas de corte. 5. Indicadores de temperatura. 6. Indicadores de presión. 7. Transmisores de flujo. 8. Transmisores de nivel. 9. Analizador de oxigeno. 10. Foto celdas. 11. Magnetrol. (cortes) 12. Mirillas. 13. Indicadores de nivel.

SISTEMAS DE CONTROL DE LA CALDERA Para tener un adecuado control de la operación de una caldera es necesario conocer los factores que determinan su estado. Estos factores son principalmente: Flujos de gas, aceite , aire, agua, vapor, presiones, temperaturas y nivel. Para comprender mejor la relación y la manera como se afectan entre si podemos clasificarlos en tres grupos: Factores a regular, factores de perturbación y factores de regulación.

FACTORES A REGULAR. Son los que deben ser mantenidos a un valor determinado para que el funcionamiento de la caldera sea correcto. Los más importantes son: Presión de vapor a la salida de la caldera, exceso de aire o relación aire /combustible, temperatura de vapor sobrecalentado, nivel del tambor de vapor y presión en el hogar.

FACTORES PERTURBADORES. Tienen su origen en la demanda de vapor que desequilibra la relación entre la energía que entra en forma de combustible y la que sale en forma de vapor, de esta manera se afectan los factores a regular que actuarán unos sobre otros. FACTORES DE REGULACIÓN. Con ellos se compensa la influencia de los factores perturbadores sobre los factores a regular y los principales son:

· FLUJO DE COMBUSTIBLE: Con él se compensa la variación de la presión de vapor.

· FLUJO DE AIRE: Con él se mantiene una relación aire /combustible adecuada. · FLUJO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN: Que debe ser igual al flujo de vapor que

sale más las pérdidas para mantener el nivel. · DIVERSOS MEDIOS PARA CONTROL DE TEMPERATURA DE VAPOR: Varían

según el diseño de la caldera. Los factores de regulación se pueden controlar dividiéndolos en tres bloques.

CONTROL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN. Su objetivo es igualar el flujo de agua de alimentación con el flujo de vapor, manteniendo un nivel estable en el tambor de vapor durante cargas bajas, altas, o con cambios rápidos, tomando como referencia la producción de vapor y el nivel del tambor.


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CONTROL DE COMBUSTIÓN. Es el encargado de regular la entrada de combustible para mantener un suministro continuo de vapor a una presión constante, y de regular la entrada de aire a la caldera en proporción correcta a la entrada de combustible.

En las calderas de tiro balanceado también regula la extracción o salida de gases de combustión para mantener un tiro constante en el hogar.

CONTROL DE TEMPERATURA. Es muy importante en calderas que alimentan turbinas. Aunque se pudiera pensar que entre más falta la temperatura de vapor, mayor eficiencia de la caldera, esto está limitado por la resistencia de los aceros y demás materiales.

Para mantener un control efectivo del funcionamiento de la unidad el operador debe tener la siguiente información de los instrumentos y otras fuentes.

· Nivel del tambor de vapor. · Presión de vapor y de agua de alimentación. · Temperatura de vapor súper calentado. · Tiros y presiones de gases / aire entrando y saliendo de las principales partes de

la caldera. · Relación aire / combustible determinada por analizadores de gases / oxigeno. · Temperatura del agua y de los gases de combustión y aire entrando y saliendo de

las principales secciones de la caldera. · Flujo de agua de alimentación. · Flujo de vapor. · Operación de fuegos, hornos y quemadores. · Operación de bombas, ventiladores, circuitos de combustible y equipos de

combustión. · Conocimiento de cuales operaciones tienen bloqueo, de manera que no puedan

efectuarse en forma incorrecta. · Conocimiento de cuales operaciones pueden efectuarse en automático.


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DESCRIPCION DEL PROCESO

Figura 2. Esquema de una caldera acuotubular de vapor saturado y sobrecalentado mostrando sus diferentes secciones. El agua líquida entra al economizador (1), donde


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se calienta hasta una temperatura próxima a la de saturación (2), se introduce en el calderín y desciende por los tubos de riego (3-3’) hasta el colector inferior, distribuyéndose hacia los tubos vaporizadores, donde se forman las burbujas de vapor (4-5) que a su vez se separan en el calderín (6). El vapor saturado (7) puede calentarse por encima de su temperatura de saturación en el sobrecalentador (8). La circulación del agua por los tubos de bajada (riegos) y de subida (vaporizadores) puede ser por convección natural, debido a la diferencia de densidades (izquierda), o forzada mediante una bomba (derecha) [2].


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Figura 3. Interior de una caldera acuotubular con combustión central [1]

CALDERÍN

SOBRECALENTADOR TUBOS DE RIEGO

TUBOS VAPORIZADORES


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Acondicionamiento del agua de alimentación La vida útil de una caldera y sus auxiliares, está estrechamente relacionada con el correcto acondicionamiento del agua. El agua de alimentación de caldera generalmente contiene sólidos disueltos o en suspensión en mayor o menor grado, dependiendo de los tratamientos previos a los cuales fuera sometido. El vapor generado, producto de este agua y antes de abandonar al domo, es sometido a una serie de separadores cuya finalidad es la de separar estos compuestos, obteniendo finalmente vapor prácticamente puro. Estos sólidos, que han sido dejados atrás, nuevamente se mezclan con el agua del domo aumentando cada vez más su concentración. Si esta excede los límites de solubilidad se producirá su precipitación. Esta es comúnmente cristalina por naturaleza y posee la particularidad de fijarse en forma de cáscara a las superficies metálicas de las paredes de los tubos. Químicamente, estas cáscaras consisten en compuestos insolubles de calcio y magnesio, presentándose algunas veces cementado dentro de una masa muy dura de óxidos de silicio. Bajo condiciones severas de presión y temperatura, éstas pueden estar constituidas total o parcialmente de complejos silicatos y óxidos de hierro o cobre. El aumento en la presión o la temperatura aceleran drásticamente la formación de estas. Pre-tratamiento del agua de alimentación. En esta etapa se elimina o se reduce los compuestos de calcio, magnesio o sílice antes de que éstos lleguen al domo. Las cantidades de sólidos totales en el vapor no sólo dependen de la eficiencia de los separadores y de la concentración del agua del domo, sino que dependen fuertemente de la concentración de sólidos en el agua de alimentación que en él ingresa. Tratamiento dentro del domo. Mediante la inyección de productos químicos al mismo se logra la precipitación de los compuestos de calcio y magnesio de tal manera que formen barros o se mantengan en solución pudiendo ser fácilmente extraídos mediante las purgas, Purga continua Por último, mediante la extracción continua de una determinada proporción de agua de domo, se lora reducir la concentración de sólidos en este medio. La cantidad de agua de la purga continua puede inferirse y controlarse automáticamente mediante la medición de la conductividad de agua en el domo (medida en ppm), controlando de este modo la cantidad de agua a purgar mediante el uso de una válvula de control. Características técnicas de este tipo de calderas Las calderas de vapor cuentan básicamente con: una cámara de vapor y una cámara de agua; la primera se define como el espacio ocupado por el vapor en el interior del dispositivo, es allí en donde se separa el vapor del agua para lograr posteriormente la suspensión. Cuanto más variable es el consumo del vapor, mayor será el volumen de la cámara. La cámara de agua es el espacio en donde se coloca el agua que hace funcionar a la caldera, el nivel de la misma es fijado cuando se fabrica la caldera de tal forma que sobrepase unos 15 cm a los tubos o conductos.


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La capacidad de la cámara de agua es lo que va a dividir a este artefacto en calderas de gran volumen, mediano volumen o pequeño volumen; las primeras mantienen estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero son muy lentas a la hora de encenderla y, por su reducida superficie, producen poco vapor. Las calderas de vapor de pequeño volumen de agua son rápidas para generar vapor pero requieren de un especial cuidado en su alimentación y regulación del fuego; por último las de mediano volumen poseen varios tubos de humo y de agua por ende la superficie de climatización aumenta pero son aumentar la totalidad del volumen de agua. Factores que influyen en el nivel del domo En toda caldera que se encuentre operando, resulta casi obvio que la cantidad de agua que en él ingrese, se deba equilibrar con la cantidad de vapor producido, sumando a este último, las purgas. Este estado de equilibrio tiene como parámetro indicativo al nivel del domo, el cual debe mantenerse en todo momento dentro de una estrecha franja. Si el nivel del domo baja por debajo del nivel de los tubos, estos últimos no serán refrigerados correctamente y en consecuencia aumentaría rápidamente su temperatura, originándose probablemente la rotura de los mismos. Por el contrario, si este nivel sube demasiado, restaría lugar para que el vapor se separe satisfactoriamente del agua, resultando en el arrastre de agua y sólidos al sobrecalentador y/o equipos. En el estado de equilibrio es obvio que la masa de agua que ingresa en el domo se iguala a aquella masa de vapor que sale de él, manteniéndose de esta manera un nivel constante. Esto se cumple sólo en los estados de equilibrio entre demanda y producción de la caldera. Pero debido a las variaciones en la demanda y con el fin de alcanzar un nuevo estado de equilibrio, se deberá efectuar una variación de la carga de combustión. Como es de esperarse, este acomodamiento a un nuevo punto de equilibrio no tiene lugar instantáneamente, sino que existe una demora que depende fundamentalmente y entre otras cosas de la inercia térmica de la caldera, la magnitud de dicha variación y de la respuesta del sistema de control de combustión. Esta demora resultante es la principal causante de las variaciones de nivel en el domo. Estas variaciones pueden minimizarse implementando controles de nivel que contemplen dichas perturbaciones. Existe otra perturbación que se le suma a la anterior, es lo que llamamos el fenómeno del falso nivel e incide de manera negativa sobre el comportamiento del nivel. Aquí nuevamente es la variación en la demanda la que origina dicho fenómeno. Si tomamos por ejemplo una caldera acuotubular que es sometida a un aumento de su demanda, veremos que como resultado de la imposibilidad de responder inmediatamente, la presión del domo disminuye. Esto se debe a que se está consumiendo, durante aquel transitorio, más vapor de lo que se produce. Por lo tanto, es válido considerar a la presión del domo ó la del colector de vapor como indicador indirecto de la demanda del estado de carga de la caldera. Esta disminución en la presión del domo trae aparejado que las condiciones operativas dentro de la caldera cambien hasta alcanzar un nuevo estado de saturación. Tanto el agua como las burbujas de vapor dentro del domo y tubos, que se encontraban en su estado de saturación antes del desequilibrio, sufren aumentos en su volumen específico. Debido a esto, la masa de agua en estado de saturación libera, sin el agregado de aporte térmico alguno, burbujas de vapor, (efecto flash), hasta alcanzar un nuevo estado de saturación y por otro lado las dimensiones de las burbujas de vapor existentes aumentan de tamaño.


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El resultado de estos fenómenos se traduce en el desplazamiento de mayor masa de agua, aumentando en consecuencia el volumen de la mezcla agua/vapor, arrojando como resultado un aumento de la cota real de nivel. Pero es lógico pensar que un aumento en la demanda de vapor debería ir acompañado de una disminución real del nivel de domo. Pero debido al efecto del falso nivel es probable que un sistema de control de nivel que no contemple de antemano estos fenómenos, detecte un nivel correcto o lo que es peor aún, un nivel alto, tomando las acciones correctivas inversas a lo que debería tomar, ya que restringiría la válvula de alimentación de agua cuando lo que en realidad se necesita es un aumento de esta última. Exactamente lo inverso sucede cuando se produce una disminución en la demanda de vapor, pudiendo aplicarse el mismo criterio de análisis que en el caso de un aumento en la demanda. Accesorios Además deben disponer de accesorios tales como: · Quemadores · Vaso de expansión · Manómetros · Termómetros (sondas de temperatura) · Líneas de seguridad · Válvula de seguridad · Llaves de paso y regulación Los accesorios más comunes son los que siguen: · Accesorios de Observación destinados a observar la operación de la caldera:

o tubos de nivel o grifos de prueba o manómetros o termómetros o analizadores de gases

· Accesorios de Seguridad, destinados a evitar una excesiva presión de generación del vapor en la caldera: o de palanca y contrapeso o de peso directo o de resorte o tapón fusible o sistemas de alarma

· Accesorios de alimentación de agua: o bomba de alimentación de agua o inyector de agua

· Accesorios de alimentación de combustible: o quemadores para combustibles líquidos y gaseosos o quemadores mecánicos para combustibles sólidos o elementos manuales


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· Accesorios de limpieza: o registros o tapas de limpieza o válvulas de punga o estaque de retención de pungas o escabiadores o deshollinadores

DESCRIPCION DEL CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO CONTROL DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN Veamos el comportamiento del sistema agua-vapor valiéndose de la figura 1 que se representa aquí.

El agua entra al calderín y, después de absorber en los tubos el calor de la combustión, genera el vapor producido por la caldera. En una operación correcta, es necesario que el nivel del agua se mantenga dentro de una banda alrededor del punto de consigna del controlador. Una excesiva disminución en el nivel puede dejar vacíos algunos tubos de la caldera, los cuales serán sometidos a un sobrecalentamiento, mientras que con un aumento excesivo en el nivel se puede llegar a la situación peligrosa en la que del calderón agua junto con el vapor producido. El nivel en el calderón es una medida del volumen de agua contenida en el mismo, aunque algunas circunstancias que pueden falsear la medida, como veremos a continuación. Para cada carga de la caldera hay un cierto volumen de agua que se encuentra ocupado por burbujas de vapor. En los primeros momentos que siguen a un incremento instantáneo de carga, seria de esperar una disminución del nivel en el calderín. Sin embargo se da un proceso interesante de analizar, puesto que disminuye la presión y, como consecuencia, se producen más burbujas, ocasionando un aumento en el volumen de agua, haciendo aumentar el nivel cuando debería disminuir. Este fenómeno se denomina hinchazón o expansión. Por el contrario, ante un aumento de la presión por haber disminuido la carga, el nivel de agua tiende a contraer su volumen, ocasionando el fenómeno de contracción.


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Un aumento rápido en el caudal de agua tiende a reducir temporalmente la formación de burbujas en los tubos, todas estas reacciones tienden a equilibrarse en pocos segundos, pero en los primeros momentos responde en dirección inversa a la correcta. En base a todo lo anterior, el sistema de control del agua de alimentación necesita responder rápidamente a los cambios de carga para mantener constante la cantidad de agua almacenada. CONTROL DE ELEMENTO SIMPLE Este tipo de control se utiliza frecuentemente en calderas pequeñas con un gran volumen de agua almacenada. Proporciona un control adecuado siempre que las variaciones de carga no sean muy importantes. Tiene solamente una variable de proceso, el nivel en el calderín, para controlar el agua de alimentación, tal como aparece en la figura. El transmisor de nivel proporciona la variable de proceso al controlador con acción proporcional e integral. La salida de este controlador posiciona la válvula de entrada de agua al calderín. Cuando se utiliza control de un elemento, los efectos de contracción y expansión de volumen pueden ocasionar errores en el control.

DESCRIPCIÓN DE LAS VARIABLES DEL PROCESO VARIABLES DEL PROCESO EN GENERAL

· Nivel de Agua en el Domo de la caldera. · Presión · Temperatura · Flujo de liquido · Flujo de Vapor


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VARIABLES

Variables Controladas:

· Nivel de Agua en el Domo

Variables Manipuladas:

· Flujo de Agua de alimentación Valores usuales de las principales variables

Producción de vapor 5000 Kg/hr Presión de diseño 100 psi Temperatura de vapor saturado y sobrecalentado 200-300 °C Eficiencia térmica sobre el 94% Tipo de combustible Gas Natural Descripcion del control

El agua entra en el calderín y, después de absorber en los tubos el calor de la combustión, genera el vapor producido por la caldera. En una operación correcta, es necesario que el nivel de agua se mantenga dentro de una banda alrededor del punto de consigna del controlador. Una excesiva disminución del nivel puede dejar vacíos algunos de los tubos de la caldera, los cuales serán sometidos a un sobrecalentamiento, mientras que con un aumento excesivo en el nivel se puede llegar a la situación peligrosa que salga del calderín agua junto con el vapor producido. El nivel en el calderín es una medida del volumen de agua contenida en el mismo, aunque existen algunas circunstancias que pueden falsear la medida, como veremos a continuación. Para cada carga de la caldera hay un cierto volumen de agua que se encuentra ocupado por burbujas de vapor. En los primeros momentos que siguen a un incremento instantáneo de carga, sería de esperar una disminución del nivel en el calderín. Sin embargo se da un proceso interesante de analizar, puesto que disminuye la presión y, como consecuencia, se producen más burbujas, ocasionando un aumento en el volumen de agua, haciendo aumentar el nivel cuando debería disminuir. Este fenómeno se denomina hinchazón o expansión. Por el contrario, ante un aumento de la presión por haber disminuido la


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carga, el nivel de agua tiende a contraer su volumen, ocasionando el fenómeno de contracción. Por último, el agua está siempre más fría que el vapor saturado, por lo que parte del vapor producido en los tubos se condensa cuando entra en contacto con el agua en el calderín. Un aumento rápido en el caudal de agua tiende a reducir temporalmente la formación de burbujas en los tubos. Todas estas reacciones tienden a equilibrarse en pocos segundos, pero en los primeros momentos responden en dirección inversa a la correcta. En base a todo lo anterior, el sistema de control de agua de alimentación necesita responder rápidamente a los cambios de carga para mantener constante la cantidad de agua almacenada.

INSTRUMENTOS USADOS PARA LA MEDICION MEDIDAS DE NIVEL Medidores locales de nivel con cristal de reflexión Se utilizan normalmente en recipientes cerrados en los que la presión es muy superior o muy inferior a la atmosférica. La presión máxima de trabajo suele estar en torno a 400Kg/cm2 y la temperatura máxima alrededor de 300°C. Los cristales de reflexión son prismas de vidrio templado, de sección rectangular provistos de estrías longitudinales. Las estrías tienen sección rectangular y su objeto es de hacer visible el nivel, incluso cuando el fluido de proceso sea incoloro o transparente. Los cristales de nivel están aprisionados, mediante tornillos, en una caja de acero, de manera que se forma un elemento como el que aparece en la parte izquierda de la figura. Como la longitud de este elemento es limitado para cumplir las condiciones de presión y temperatura máximas, si el recipiente donde se quiere visualizar el nivel es demasiado alto se montan varios elementos como el descrito, formando un conjunto hasta alcanzar la longitud necesaria. Este conjunto de elementos, o simplemente un elemento, con sus correspondientes accesorios, tales como válvulas, bridas de conexión, etc., es lo que se denomina habitualmente nivel óptico de vidrio. Los cristales tienen la propiedad, debido a su forma estriada y las leyes de reflexión y refracción que cuando la luz ambiente incide sobre las estrías esta se refleja hacia el observador en la zona en la que los cristales están en contacto con el vapor, mientras que es absorbida en la zona en la que los cristales están en contacto con el liquido; de esta forma la parte del nivel correspondiente al liquido se presenta al observador con una tonalidad mas oscura que la correspondiente al vapor.


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Medida de nivel en calderones de vapor La indicación básica de nivel la proporciona un medidor con cristales de reflexión como el que se describió anteriormente, cuyo montaje aparece en la figura. Si no se lleva a cabo una corrección de densidades se produce un error en la medida, puesto que el condensado circula a través del medidor, donde se enfría, adquiriendo una densidad mayor que la del agua que se encuentra dentro de la caldera.

Figura 1 La desviación entre la altura de nivel h2 y la h1 depende de la presión de la caldera a la cual se encuentra en equilibrio la temperatura del agua. La tabla siguiente muestra densidades del agua a diferentes presiones de saturación.

Presión (Kg/cm2) Densidad (Kg/dm3) 1,0 0,9434 5,0 0,9091

10,0 0,8850 15,0 0,8621 20,0 0,8475 30,0 0,8200


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Dependiendo de la presión de trabajo en la caldera se pueden llegar a tener desviaciones comprendidas entre 2 y 15 cm entre las alturas h1 y h2. En la figura 1 se cumple que:

2*2*21*1*1 ThTh rr = Como la densidad en el medidor de nivel es mayor que la que existe en el interior de la caldera, por ser menor la temperatura exterior, la altura observada (h1) es menor que la que realmente existe dentro de la caldera. La figura 2 muestra un esquema de montaje típico para un transmisor de medida de nivel por presión diferencial. La señal de salida del transmisor aumenta cuando disminuye la presión diferencial.

Figura 2 Sobre la cámara de alta, la presión efectiva es igual a la presión de la caldera mas el peso de la columna de condensado h3 a la temperatura ambiente. Sobre la cámara de baja, la presión efectiva es igual a la presión de la caldera mas el peso de la columna de vapor saturadoh1, mas el peso de la columna de agua a la temperatura de saturación h2. Asumiendo que la presión en la caldera en constante no será necesario corregir la altura de la columna de agua a diferentes temperaturas de saturación, sino que se puede tomar la densidad correspondiente a la presión de diseño. Por otro lado, el peso dela columna de vaporh1 se puede considerar que tiene poca influencia sobre la medida con estos dos supuestos,

AC

C

hhdPhdP

BPAPdP

rrr

*2*3*3

20

4

-==

-=

La presión estática existe en la caldera se anula de los cálculos por influir de la misma forma en ambas ramas del transmisor.


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MEDICIÓN DE PRESION La presión es la fuerza unitaria sobre unidad de área por un fluido líquido o gaseoso, pero esta fuerza también actuara sobre las paredes del recipiente, por lo tanto será preciso y necesario el control exhaustivo de la presión, para no superar los valores admisibles de los elementos de la caldera. INSTRUMENTOS DE MEDIDA Los dos tipos principales de manómetros serán el tubo Bourdon y el diafragma. En la figura siguiente se muestra el tubo Bourdon.

La caldera debe tener manómetros de tal tamaño que permitan una correcta compresión de la medida e indiquen la presión de la caldera en todo momento. Al lado de cualquier manómetro, debe colocarse una válvula o grifo que nos permita en caso de rotura del mismo su pronta reparación. En el caso de calderas de vapor, los manómetros o su conexión deben tener un cierre hidráulico para evitar que el vapor entre en el tubo del manómetro. El cierre hidráulico consiste en un lazo en la tubería que condensan el vapor y protegen el resorte y otras piezas de altas temperaturas.

Además la aguja del manómetro debe situarse de forma vertical cuando este en condiciones normales.


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MEDICIÓN POR PRESIÓN DIFERENCIAL El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que permite medir la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico. El diafragma forma parte de un transmisor neumático o electrónico de presión diferencial. La precisión de los instrumentos de presión diferencial es bastante buena. El material del diafragma debe ser compatible con el fluido que se encuentra en el tanque.

El instrumento puede usarse en tanques abiertos y cerrados, a presión o a vacío, con una buena sensibilidad, pero presenta el inconveniente del riesgo de depósitos de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida).


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DIAGRAMA DE INSTRUMENTACION

ANALISIS DINÁMICO Para el análisis dinámico seleccionamos un control de elemento simple. Este tipo de control se utiliza en calderas pequeñas con gran volumen almacenado de agua. Proporciona un control, adecuado simple que las variaciones de carga no sean muy importantes. Tiene solamente una variable de proceso, el nivel de en el domo, para controlar el nivel de alimentación. El trasmisor de nivel proporciona la variable de proceso al controlador con acción proporcional e integral. La salida de este controlador posiciona la válvula de entrada de agua al domo. Cuando se utiliza control de un elemento, los efectos de contracción y expansión de volumen pueden ocasionar errores de control


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Balance de masa:

( )t

MMvMag DOMO

¶¶

=-

( )t

VVMvMag VVLL

¶×+×¶

=-rr

VL = Volumen del líquido VV = Volumen del vapor

t

VTRMPV

MvMagVLL

¶

÷÷ø

öççè

æ×

××

+×¶

=-

r


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( )

t

VVTRMPV

MvMagLDOMOLL

¶

÷÷ø

öççè

æ-×

××

+×¶

=-

r

t

VTRMPV

TRMP

MvMagDOMOLL

¶

÷÷ø

öççè

æ×

××

+×÷÷ø

öççè

æ

××

-¶

=-

r

Asumiendo P y T constantes: T =250 º C P = 7.2 BAR

tV

TRMPMvMag L

L ¶¶×÷÷

ø

öççè

æ××

-=- r …(1)

De datos del manual del ingeniero químico:

( ) LRhchbaVL ××××+×+= 22 p

0082.0-=a 4703.0=b 64.1=c 095.1-=d

mh 10.00 =

mR 4572.0=

mL 0.2=

Linearizando:

( )( ) ( )00

22

0 hht

LRhchbaVV LL -×¶

××××+×+¶+=

p

( ) ( )00

20 2 hhhcbLRVV LL -×××+×××+=Þ p


30

Derivando:

( )thhcbLR

tVL

¶¶×××+×××=

¶¶

Þ 02 2p

Reemplazando en la ecuación del balance general (ec. 1)

( )thhcbLR

TRMPMvMag L ¶

¶×××+××××÷÷

ø

öççè

æ××

-=-Þ 02 2pr

( ) tpr =××+××××÷÷ø

öççè

æ××

- 02 2 hcbLR

TRMP

L …(2)

Entonces la función de transferencia será: H(s) = 1/τ (Mag(s)-Mv(s))

Diagrama de bloques

ss D

I

×+×

+ tt

11 ÷øö

çèæ

+××

121s

KV

1

1

s×t1

sm

deK ×-× t

H(s) Mag(S)

Mv(s)

HS(s)


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Indicador de Nivel tipo Bypass NBK-M :

Rango de Medida: max. 3 Meter (mayor longitud, en 2 partes) Conexión: DIN-Brida DN 10...DN 25 ANSI-Brida 1/2"... 1 " Material: Acero inox. 1.4571 Max. Presión: PN 100, max. Temperaturaa:200 °C Precisión : +/- 1 mm Opción: 4-20 mA, Contacto

Calculo de KV

( )smAKg

mAKg

hmAKg

mAh

Kg

KV 0868055.0min

2083.515.312420

05000===

-

×-=

sKgKV 0868055.0=

Calculo de Km:

( )mmAK m 03.0

420--

=

mmAK m

128.53=

Kp = 1 hr -m/ Kg Si el agua ingresa a 20°C

36.997

mKg

L =r

En (2):

seg6125.1043=t Entonces la función de transferencia sería:

( ) ( ) ( )( )sFsFs

sH VL -××

=64.1043

1

Diseño del controlador por el método Ziegler/Nichols


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( ) ÷øö

çèæ

+××=

121s

KsG VV ( ) smm eKsG -×= ( )

ssG

×=

64.10431

Relación de amplitudes:

( ) ( ) ( ) ( )jGjGjGjH mV wwww ××=

( ) ( ) ÷øö

çèæ

×××÷÷

ø

öççè

æ

×+×=

www

64.10431

411

2 mV KKjH

Reemplazando Kv y Km

( ) ( ) ÷øö

çèæ

×××÷

÷ø

öççè

æ

×+×=

www

64.1043129.53

41

10868055.02

jH

Angulo de fase:

( ) ( ) ( ) ( )jGjGjGjH mV wwww Ð+Ð+Ð=Ð

( ) ( ) 901802 -×+-=Ðp

www arctgjH

Calculo de w :

( ) 180901802 -=-×+-p

wwarctg

Diagrama de Bode en matlab: Sin Controlador:


33


34

Del grafico:

( ) 00419.0== jHAR w s

rad645.0=w

Calculo de KU

ARKu 1

=

66.238=Ku

Calculo de PU:

wp×

=2Pu

696.9=Pu De la tabla Ziegler Nichols

KuKc ×= 6.0 16.142=Kc

2Pu

I =t 125.4=It

8Pu

D =t 236.1=Dt

Con controlador


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36

Usando simulink:


37

Conforme se reduce la constante de tiempo de la válvula y del medidor el efecto perturbador es cada vez menor:


38


39

VARIABLES


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VISUAL BASIC


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42


43

Referencias Bibliograficas

· Obtención de un modelo dinámico para simulación de una caldera de vapor industrial

http://www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/xxii/documentos/d_01_s.pdf Visitado 20-01-2010

· Operaciones internacionales S.A.

http://www.interop.co.cr/products.htm Visitado 23-01-2010

· Medición de niveles

http://www.industriaynegocios.cl/academicos/alexanderborger/docts%20docencia/seminario%20de%20aut/trabajos/2001/alvarez%20labarca/medicion%20de%20niveles.htm

Visitado 2-02-2010

· Productos y servicios para la industria del agua latinoamericana http://www.aguamarket.com/sql/productos/productos.asp?producto=14534

Visitado 3-02-2010 · Medición de niveles

http://www.directindustry.es/prod/bono-energia/caldera-de-vapor- acuotubular-38355-276231.html Visitado 3-02-2010

· Instrumentacion en calderos

http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/the-boiler- house/water-tube-boilers.asp

Visitado 3-02-2010 · Calderas de vapor http://www.miuraboiler.com/miurapdf/Miura_spaEXbro.pdf

Visitado 7-02-2010

http://www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/XXII/documentos/D_01_S.pdf

http://www.interop.co.cr/products.htm#MEDIDORES_DE_NIVEL_Y_FLUJO




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Caldera Acuotubular

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